一種電磁誘導產電細菌分離、生長和馴化的裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種電磁誘導產電細菌分離、生長和馴化的裝置和方法，所述裝置包括相對設置的第一導電碳纖維極板和第二導電碳纖維極板，第一導電碳纖維極板與步進電機相連接，第二導電碳纖維極板與測距儀相連接，并且第一導電碳纖維極板和第二導電碳纖維極板與直流電源和開關形成一個電場回路，所述電場回路并聯一電場監(jiān)測裝置；所述第一導電碳纖維極板和第二導電碳纖維極板設置在一磁場線圈中，所述磁場線圈置于一密閉透明容器中，所述磁場線圈的兩端分別與磁場電源相連接，所述方法為基于上述裝置對產電細菌進行分離、生長和馴化的方法。本發(fā)明能提高微生物燃料電池陽極產電細菌分離、生長和馴化的效率。
【專利說明】一種電磁誘導產電細菌分離、生長和馴化的裝置和方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及能源環(huán)境【技術領域】，具體地，本發(fā)明涉及一種電磁誘導產電細菌分離、生長和馴化的裝置和方法。

【背景技術】
[0002]隨著人類社會的高速發(fā)展，煤炭、石油等傳統化石燃料已經瀕臨枯竭，難以長期維系人類的生存和發(fā)展，同時也帶來了環(huán)境污染、全球氣候變暖等生態(tài)問題。隨著經濟和社會的發(fā)展，工業(yè)和生活廢水排放量以及溫室氣體排放量也在逐年遞增，進一步危害環(huán)境，降低經濟運行效率。同時，傳統的廢水處理技術耗能大，溫室氣體排放量大，也不利于環(huán)境保護。
[0003]微生物燃料電池(Microbial fuel cells, MFCs)是近幾年來發(fā)展的產電和水處理的一種實用新技術。MFCs利用微生物作為催化劑來降解有機物，產生電能，實現了從污水處理到能量回收的一步轉化。此外，MFCs還具有轉化效率高，底物適用范圍廣，操作條件溫和，微生物作為催化劑可自我復制等眾多優(yōu)點，因此，其將具有不可限量的應用開發(fā)前景。
[0004]但是目前，MFCs的陽極效率是制約MFCs進行產電和廢水處理應用的主要因素。首先，大多數MFCs的陽極產電細菌是從活性污泥里分離得來，是幾種具有協同作用、共同生長的混合細菌。其次，分離出來的混合細菌要做組裝的MFCs中進行接種以馴化其產電特性，該馴化需要經過多個周期，馴化過程非常耗費時間。再次，產電混合細菌的生長環(huán)境不盡相同，在不同的環(huán)境條件下，優(yōu)勢菌的種類可能不同，所以影響MFCs的產電性能和效率。因此，研究出一種誘導混合產電細菌分離、生長以及產電特性馴化的方法以及反應器，不僅能從根本上提高MFCs的陽極效率，同時產電細菌分離和馴化過程簡便、省時省力，對MFCs的大規(guī)模實際應用具有十分重要的意義。


【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的在于，提供一種電磁誘導產電細菌分離、生長和馴化的裝置，該裝置能提高微生物燃料電池陽極產電細菌分離、生長和馴化的效率，將分離馴化后的微生物接種到微生物燃料電池陽極室中可以縮短微生物燃料電池的啟動時間，提高電池電流和功率密度輸出，降低電池內阻等。
[0006]為了達到上述目的，本發(fā)明采用了如下的技術方案:
[0007]—種電磁誘導產電細菌分離、生長和馴化的裝置，所述裝置包括相對設置的第一導電碳纖維極板6和第二導電碳纖維極板9，第一導電碳纖維極板6與步進電機I相連接，第二導電碳纖維極板9與測距儀3相連接，并且第一導電碳纖維極板6和第二導電碳纖維極板9與直流電源7和開關8形成一個電場回路，所述電場回路并聯一電場監(jiān)測裝置4 ；
[0008]所述第一導電碳纖維極板6和第二導電碳纖維極板9設置在一磁場線圈5中，所述磁場線圈5置于一密閉透明容器10中，所述磁場線圈5的兩端分別與磁場電源2相連接。
[0009]本發(fā)明的步進電機I控制第一導電碳纖維極板6和第二導電碳纖維極板9之間的距離，將混合細菌接種在其中一個導電碳纖維極板上，通過控制兩個導電碳纖維極板之間的距離，誘導產電細菌向另一導電碳纖維極板生長。
[0010]本發(fā)明的測距儀3用于測量第一導電碳纖維極板6和第二導電碳纖維極板9之間的距離，通過測距儀3反映的數值除以產電細菌的平均體長，可以大體估算一個產電細菌鏈上菌體個數。
[0011]本發(fā)明的磁場電源2和磁場線圈5用以產生一個穩(wěn)定的磁場，第一導電碳纖維極板6和第二導電碳纖維極板9置于磁場線圈5中，產生的磁場作用于極板上的混合細菌，通過磁場誘導產電細菌分離、生長和馴化。
[0012]本發(fā)明的開關8控制整個電場的接通和斷開，直流電源7為兩個導電碳纖維極板提供電場以誘導產電細菌的分離和馴化，電場監(jiān)測裝置4監(jiān)測電場中電流電壓的大小和變化等。
[0013]本發(fā)明的另一個目的在于，提供一種基于上述裝置的電磁誘導產電細菌分離、生長和馴化的方法，所述方法包括以下步驟:
[0014]I)將厭氧污泥當中的混合細菌接種在第一導電碳纖維極板6上，保持第一導電碳纖維極板6和第二導電碳纖維極板9之間的距離為0.5?I毫米；
[0015]2)接通開關8，同時打開磁場電源2向磁場線圈5通電產生穩(wěn)定的磁場，此時電場監(jiān)測裝置4中的電流為O;
[0016]3)在電場和磁場的雙重作用下,經過4?6小時的生長,第一導電碳纖維極板6上的產電細菌生長到達第二導電碳纖維極板9表面時，由于產電細菌具有導電性，電場回路從而接通，此時電場監(jiān)測裝置4中的電流不再為O ;
[0017]4)調節(jié)步進電機1，使第一導電碳纖維極板6和第二導電碳纖維極板9之間的距離增加至I?2毫米，此時電路再次斷開，電流監(jiān)測裝置4中的電流再次為0，再經過3?5小時，第一導電碳纖維極板6上的產電細菌再次生長到達第二導電碳纖維極板9表面時，電路再次接通；
[0018]5)重復步驟3) -4)直到第一導電碳纖維極板6和第二導電碳纖維極板9之間的距離為4?8毫米后，當電路接通后，斷開磁場和電場，取下第一導電碳纖維極板6和第二導電碳纖維極板9，得到經過電磁誘導分離、生長和馴化的產電細菌。
[0019]所述產電細菌可以為芽孢桿菌屬、克雷伯氏菌屬、地桿菌屬或假單胞菌屬的能夠產生電子的菌種中的一種或多種。
[0020]將分離馴化的產電細菌接種到微生物燃料電池陽極室當中進行產電的實驗和測試。
[0021]本發(fā)明通過磁場和電場的共同作用來進行產電細菌的分離、生長和馴化，其相對于現有技術有以下幾個顯著優(yōu)點:1)通過電場和磁場對產電細菌進行分離和馴化，省時高效；2)通過調節(jié)電場和磁場的大小，對某些種屬的產電細菌進行特異性的選擇，提高菌種分離的選擇性；3)通過這種方法分離和馴化的產電細菌接種到微生物燃料電池當中后，啟動時間縮短，輸出功率提高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明的電磁誘導產電細菌分離、生長和馴化的裝置的結構示意圖；
[0023]其中，1、步進電機；2、磁場電源；3、測距儀；4、電場監(jiān)測裝置；5、磁場線圈；6、第一導電碳纖維極板；7、直流電源；8、開關；9、第二導電碳纖維極板；10、透明密閉容器。

【具體實施方式】
[0024]下面以附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
[0025]實施例1
[0026]如圖1所示，一種電磁誘導產電細菌分離、生長和馴化的裝置，所述裝置包括相對設置的第一導電碳纖維極板6和第二導電碳纖維極板9,第一導電碳纖維極板6與步進電機I相連接，第二導電碳纖維極板9與測距儀3相連接，并且第一導電碳纖維極板6和第二導電碳纖維極板9與直流電源7和開關8形成一個電場回路，所述電場回路并聯一電場監(jiān)測裝置4 ；
[0027]所述第一導電碳纖維極板6和第二導電碳纖維極板9設置在一磁場線圈5中，所述磁場線圈5置于一密閉透明容器10中，所述磁場線圈5的兩端分別與磁場電源2相連接。
[0028]一種基于上述裝置的電磁誘導產電細菌分離、生長和馴化的方法，所述方法包括以下步驟:
[0029]I)將北京某污水處理廠的厭氧污泥當中的混合細菌接種在第一導電碳纖維極板6上，保持第一導電碳纖維極板6和第二導電碳纖維極板9之間的距離為0.5?I毫米；
[0030]2)接通開關8，同時打開磁場電源2向磁場線圈5通電產生穩(wěn)定的磁場，此時電場監(jiān)測裝置4中的電流為O;
[0031]3)在電場和磁場的雙重作用下,經過4?6小時的生長,第一導電碳纖維極板6上的產電細菌生長到達第二導電碳纖維極板9表面時，由于產電細菌具有導電性，電場回路從而接通，此時電場監(jiān)測裝置4中的電流不再為O ;
[0032]4)調節(jié)步進電機1，使第一導電碳纖維極板6和第二導電碳纖維極板9之間的距離增加至I?2毫米，此時電路再次斷開，電流監(jiān)測裝置4中的電流再次為0，再經過3?5小時，第一導電碳纖維極板6上的產電細菌再次生長到達第二導電碳纖維極板9表面時，電路再次接通；
[0033]5)重復步驟3) -4)直到第一導電碳纖維極板6和第二導電碳纖維極板9之間的距離為4?8毫米后，當電路接通后，斷開磁場和電場，取下第一導電碳纖維極板6和第二導電碳纖維極板9，得到經過電磁誘導分離、生長和馴化的克雷伯氏菌屬的產電細菌。
[0034]對比例I
[0035]將實施例1分離得到克雷伯氏菌屬產電細菌的菌液20mL接種到陰陽極容積均為10mL的H型雙室微生物燃料電池中，外接500歐姆電阻，以20mM醋酸鈉為底物，電解液由以下幾種物質組成:0.13g/L KCl、0.31g/L NH4Cl,2.93g/L NaH2PO4、4.09g/L Na2HPO4'2.90g/L NaCl。經過30小時后電池啟動完成,穩(wěn)定運行后輸出電壓為390毫伏。而北京某污水處理廠的厭氧污泥當中的混合細菌經傳統分離篩選和馴化方法得到的克雷伯氏菌屬產電細菌，米用相同的實驗方法的結果為:啟動時間約為86小時,穩(wěn)定運行后輸出電壓為310毫伏。由以上數據可知，運用本發(fā)明的裝置和方法對產電細菌進行分離和馴化，可以大幅提高的電池的產電性能。
【權利要求】
1.一種電磁誘導產電細菌分離、生長和馴化的裝置，其特征在于，所述裝置包括相對設置的第一導電碳纖維極板(6)和第二導電碳纖維極板(9)，第一導電碳纖維極板(6)與步進電機(I)相連接，第二導電碳纖維極板(9)與測距儀(3)相連接，并且第一導電碳纖維極板(6)和第二導電碳纖維極板(9)與直流電源(7)和開關(8)形成一個電場回路，所述電場回路并聯一電場監(jiān)測裝置(4); 所述第一導電碳纖維極板(6)和第二導電碳纖維極板(9)設置在一磁場線圈(5)中，所述磁場線圈(5)置于一密閉透明容器(10)中，所述磁場線圈(5)的兩端分別與磁場電源(2)相連接。
2.根據權利要求1所述的電磁誘導產電細菌分離、生長和馴化的裝置，其特征在于，所述步進電機(I)控制第一導電碳纖維極板(6)和第二導電碳纖維極板(9)之間的距離；所述測距儀(3)用于測定第一導電碳纖維極板(6)和第二導電碳纖維極板(9)之間的距離。
3.根據權利要求1所述的一種電磁誘導產電細菌分離、生長和馴化的裝置，其特征在于，所述磁場電源(2)和磁場線圈(5)產生穩(wěn)定的磁場，用于誘導產電細菌分離、生長和馴化。
4.根據權利要求1所述的一種電磁誘導產電細菌分離、生長和馴化的裝置，其特征在于，所述電場監(jiān)測裝置(4)用來測定所述電場回路中的電流。
5.一種基于權利要求1所述裝置的電磁誘導產電細菌分離、生長和馴化的方法，所述方法包括以下步驟: 1)將厭氧污泥當中的混合細菌接種在第一導電碳纖維極板(6)上，保持第一導電碳纖維極板(6)和第二導電碳纖維極板(9)之間的距離為0.5?I毫米； 2)接通開關(8)，同時打開磁場電源(2)向磁場線圈(5)通電產生穩(wěn)定的磁場，此時電場監(jiān)測裝置(4)中的電流為O; 3)在電場和磁場的雙重作用下,經過4?6小時的生長,第一導電碳纖維極板(6)上的產電細菌生長到達第二導電碳纖維極板(9)表面時，由于產電細菌具有導電性，電場回路從而接通，此時電場監(jiān)測裝置(4)中的電流不再為O ; 4)調節(jié)步進電機(1)，使第一導電碳纖維極板(6)和第二導電碳纖維極板(9)之間的距離增加至I?2毫米，此時電路再次斷開，電流監(jiān)測裝置(4)中的電流再次為0，再經過3?5小時,第一導電碳纖維極板(6)上的產電細菌再次生長到達第二導電碳纖維極板(9)表面時，電路再次接通； 5)重復步驟3)-4)直到第一導電碳纖維極板(6)和第二導電碳纖維極板(9)之間的距離為4?8毫米后，當電路接通后，斷開磁場和電場，取下第一導電碳纖維極板(6)和第二導電碳纖維極板(9)，得到經過電磁誘導分離、生長和馴化的產電細菌。
6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，所述步驟5)得到的產電細菌為芽孢桿菌屬、克雷伯氏菌屬、地桿菌屬或假單胞菌屬的能夠產生電子的菌種中的一種或多種。
【文檔編號】C12R1/22GK104277970SQ201310270940
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2013年7月1日 優(yōu)先權日:2013年7月1日
【發(fā)明者】李浩然, 王鵬 申請人:中國科學院過程工程研究所